Cơ chế tạo tĩnh điện

Thông thường, tĩnh điện được tạo ra do ma sát hoặc cảm ứng.

Tĩnh điện ma sát được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích được tạo ra trong quá trình tiếp xúc, ma sát hoặc tách biệt giữa hai vật thể. Tĩnh điện do ma sát giữa các dây dẫn để lại thường tương đối yếu do dây dẫn có độ dẫn điện cao. Các ion do ma sát sinh ra sẽ nhanh chóng chuyển động cùng nhau và trung hòa trong và khi kết thúc quá trình ma sát. Sau khi ma sát chất cách điện, điện áp tĩnh điện cao hơn có thể được tạo ra nhưng lượng điện tích rất nhỏ. Điều này được xác định bởi cấu trúc vật lý của chính chất cách điện. Trong cấu trúc phân tử của chất cách điện, các electron khó có thể di chuyển tự do thoát khỏi sự liên kết của hạt nhân nguyên tử, do đó ma sát chỉ dẫn đến một lượng nhỏ ion hóa phân tử hoặc nguyên tử.

Tĩnh điện cảm ứng là điện trường được hình thành do sự chuyển động của các electron trong một vật thể dưới tác dụng của một trường điện từ khi vật đó nằm trong điện trường. Tĩnh điện cảm ứng thường chỉ có thể được tạo ra trên dây dẫn. Có thể bỏ qua ảnh hưởng của trường điện từ không gian lên chất cách điện.

Cơ chế phóng tĩnh điện

Vì sao điện lưới 220V có thể giết người nhưng dòng điện hàng nghìn volt trên người không giết được? Điện áp trên tụ thỏa mãn công thức sau: U=Q/C. Theo công thức này, khi điện dung nhỏ và lượng điện tích nhỏ thì sẽ tạo ra điện áp cao. “Thông thường, điện dung của cơ thể chúng ta và các vật thể xung quanh chúng ta rất nhỏ. Khi một điện tích được tạo ra, một lượng điện tích nhỏ cũng có thể tạo ra điện áp cao.”. Do lượng điện tích nhỏ nên khi phóng điện, dòng điện tạo ra rất nhỏ và thời gian rất ngắn. Điện áp không thể được duy trì và dòng điện giảm trong thời gian cực ngắn. “Vì cơ thể con người không phải là chất cách điện nên các điện tích tĩnh điện tích tụ khắp cơ thể khi có đường phóng điện sẽ hội tụ. Vì vậy, có cảm giác như dòng điện cao hơn và có cảm giác bị điện giật”. Sau khi tĩnh điện được tạo ra trong các dây dẫn như cơ thể con người và các vật kim loại, dòng phóng điện sẽ tương đối lớn.

Đối với những vật liệu có đặc tính cách nhiệt tốt, một là lượng điện tích sinh ra rất nhỏ, hai là điện tích sinh ra khó di chuyển. Dù điện áp cao nhưng khi có đường phóng điện ở đâu đó thì chỉ có điện tích tại điểm tiếp xúc và trong phạm vi nhỏ gần đó mới có thể chảy và phóng điện, còn điện tích tại điểm không tiếp xúc thì không thể phóng điện. Vì vậy, ngay cả với điện áp hàng chục nghìn volt thì năng lượng phóng điện cũng không đáng kể.

Mối nguy hiểm của tĩnh điện đối với linh kiện điện tử

Tĩnh điện có thể gây hại choDẪN ĐẾNs, không chỉ là “bằng sáng chế” độc đáo của LED mà còn cả các điốt và bóng bán dẫn làm bằng vật liệu silicon được sử dụng phổ biến. Ngay cả các tòa nhà, cây cối và động vật cũng có thể bị hư hại do tĩnh điện (sét là một dạng tĩnh điện và chúng ta sẽ không xem xét nó ở đây).

Vậy tĩnh điện làm hỏng linh kiện điện tử như thế nào? Tôi không muốn đi quá xa, chỉ nói về các thiết bị bán dẫn mà còn giới hạn ở điốt, bóng bán dẫn, IC và đèn LED.

Thiệt hại do điện gây ra đối với các thành phần bán dẫn cuối cùng liên quan đến dòng điện. Dưới tác dụng của dòng điện, thiết bị bị hỏng do nhiệt. Có dòng điện thì phải có điện áp. Tuy nhiên, điốt bán dẫn có các điểm nối PN, có dải điện áp chặn dòng điện cả chiều thuận và chiều ngược. Rào cản tiềm năng thuận thấp, trong khi rào cản tiềm năng ngược lại cao hơn nhiều. Trong mạch điện có điện trở cao thì điện áp tập trung. Nhưng đối với đèn LED, khi điện áp được cấp vào đèn LED, khi điện áp bên ngoài nhỏ hơn điện áp ngưỡng của diode (tương ứng với độ rộng khe hở vùng vật liệu), không có dòng điện chuyển tiếp và tất cả điện áp đều được đặt vào ngã ba PN. Khi điện áp được đặt ngược lại vào đèn LED, khi điện áp bên ngoài nhỏ hơn điện áp đánh thủng ngược của đèn LED thì điện áp cũng được đặt hoàn toàn vào điểm nối PN. Tại thời điểm này, không có hiện tượng sụt áp ở mối hàn bị lỗi của đèn LED, giá đỡ, vùng P hoặc vùng N! Vì không có dòng điện. Sau khi mối nối PN bị hỏng, điện áp bên ngoài được chia sẻ cho tất cả các điện trở trên mạch. Trường hợp điện trở cao thì điện áp do bộ phận đó sinh ra cao. Đối với đèn LED, điều tự nhiên là điểm nối PN chịu phần lớn điện áp. Nhiệt năng được tạo ra tại điểm nối PN là điện áp rơi trên nó nhân với giá trị hiện tại. Nếu giá trị dòng điện không bị giới hạn, nhiệt độ quá cao sẽ làm cháy mối nối PN, làm mất chức năng và xuyên thủng.

Tại sao IC tương đối sợ tĩnh điện? Do diện tích của từng linh kiện trong IC rất nhỏ nên điện dung ký sinh của từng linh kiện cũng rất nhỏ (thường chức năng của mạch yêu cầu điện dung ký sinh rất nhỏ). Do đó, một lượng tĩnh điện nhỏ sẽ tạo ra điện áp tĩnh điện cao và khả năng chịu điện của từng linh kiện thường rất nhỏ nên việc phóng tĩnh điện có thể dễ dàng làm hỏng IC. Tuy nhiên, các thành phần rời rạc thông thường, chẳng hạn như điốt công suất nhỏ thông thường và bóng bán dẫn công suất nhỏ, không sợ tĩnh điện lắm, vì diện tích chip của chúng tương đối lớn và điện dung ký sinh của chúng tương đối lớn, và không dễ tích tụ điện áp cao trên chúng trong cài đặt tĩnh chung. Các bóng bán dẫn MOS công suất thấp dễ bị hư hỏng tĩnh điện do lớp oxit cổng mỏng và điện dung ký sinh nhỏ. Họ thường rời khỏi nhà máy sau khi đoản mạch ba điện cực sau khi đóng gói. Trong quá trình sử dụng, thường phải loại bỏ tuyến đường ngắn sau khi hàn xong. Do diện tích chip lớn của bóng bán dẫn MOS công suất cao nên tĩnh điện thông thường sẽ không làm hỏng chúng. Vì vậy, bạn sẽ thấy rằng ba điện cực của bóng bán dẫn công suất MOS không được bảo vệ bằng mạch ngắn (các nhà sản xuất đời đầu vẫn đoản mạch chúng trước khi xuất xưởng).

Một đèn LED thực sự có một diode và diện tích của nó rất lớn so với từng thành phần trong IC. Do đó, điện dung ký sinh của đèn LED tương đối lớn. Vì vậy, tĩnh điện trong các tình huống chung không thể làm hỏng đèn LED.

Điện tĩnh điện trong các tình huống thông thường, đặc biệt là trên chất cách điện, có thể có điện áp cao, nhưng lượng điện tích phóng điện cực kỳ nhỏ và thời gian của dòng điện phóng điện rất ngắn. Điện áp của tĩnh điện cảm ứng trên dây dẫn có thể không cao lắm nhưng dòng phóng điện có thể lớn và thường liên tục. Điều này rất có hại cho linh kiện điện tử.

Tại sao tĩnh điện lại gây hư hỏngchip LEDkhông thường xuyên xảy ra

Hãy bắt đầu với một hiện tượng thực nghiệm. Một tấm sắt kim loại mang dòng điện tĩnh điện 500V. Đặt đèn LED lên tấm kim loại (chú ý đến phương pháp đặt để tránh các vấn đề sau). Bạn có nghĩ rằng đèn LED sẽ bị hỏng? Ở đây, để làm hỏng đèn LED, nó thường phải được đặt với điện áp lớn hơn điện áp đánh thủng của nó, có nghĩa là cả hai điện cực của đèn LED phải tiếp xúc đồng thời với tấm kim loại và có điện áp lớn hơn điện áp đánh thủng. Vì tấm sắt là chất dẫn điện tốt nên điện áp cảm ứng trên nó bằng nhau và gọi là điện áp 500V so với mặt đất. Do đó, không có điện áp giữa hai điện cực của đèn LED và đương nhiên sẽ không có hư hỏng. Trừ khi bạn tiếp xúc một điện cực của đèn LED với một tấm sắt và nối điện cực còn lại bằng dây dẫn (tay hoặc dây không có găng tay cách điện) với mặt đất hoặc các dây dẫn khác.

Hiện tượng thí nghiệm trên nhắc nhở chúng ta rằng khi đèn LED ở trong trường tĩnh điện, một điện cực phải tiếp xúc với thân tĩnh điện và điện cực còn lại phải tiếp xúc với đất hoặc các dây dẫn khác trước khi nó có thể bị hỏng. Trong sản xuất và ứng dụng thực tế, với kích thước nhỏ của đèn LED, hiếm khi xảy ra những điều như vậy, đặc biệt là theo lô. Sự kiện ngẫu nhiên có thể xảy ra. Ví dụ, một đèn LED nằm trên thân tĩnh điện và một điện cực tiếp xúc với thân tĩnh điện, trong khi điện cực còn lại chỉ treo lơ lửng. Lúc này, có người chạm vào điện cực lơ lửng, điều này có thể làm hỏng điện cựcĐèn LED.

Hiện tượng trên cho chúng ta biết không thể bỏ qua vấn đề về tĩnh điện. Phóng tĩnh điện cần có mạch dẫn điện, nếu có tĩnh điện thì không có hại gì. Khi chỉ xảy ra một lượng rò rỉ rất nhỏ, có thể xem xét vấn đề hư hỏng tĩnh điện do tai nạn. Nếu nó xảy ra với số lượng lớn, nhiều khả năng đó là vấn đề nhiễm bẩn chip hoặc gây căng thẳng.